Node.js サーバー 最大接続数 server.maxConnections の注意点とトラブルシューティング

server.maxConnections とは

server.maxConnections は、Node.jsの http.Server オブジェクト（または https.Server オブジェクト）が同時に処理できる最大接続数を設定するためのプロパティです。

役割と目的

• DoS攻撃対策
  ある程度のDoS（Denial of Service）攻撃に対して、サーバーが過負荷になるのを軽減する効果が期待できます。ただし、完全な対策には他の防御策も必要です。
• リソース保護
  同時接続数が過度に増えることを防ぎ、サーバーのリソース（CPU、メモリなど）が枯渇するのを防ぐことができます。これにより、サーバーの安定性を維持し、他のリクエストへの応答性を確保できます。
• 同時接続数の制限
  この値を設定することで、サーバーが同時に受け付けるクライアントからの接続数を制限できます。

設定方法

server.maxConnections は、http.createServer() や https.createServer() で作成したサーバーオブジェクトのプロパティとして直接設定できます。

const http = require('http');

const server = http.createServer((req, res) => {
  res.writeHead(200, { 'Content-Type': 'text/plain' });
  res.end('Hello, world!');
});

// 最大同時接続数を 100 に設定
server.maxConnections = 100;

server.listen(3000, () => {
  console.log('Server listening on port 3000');
});

動作

設定された server.maxConnections を超える新しい接続要求があった場合、サーバーはそれらの接続を受け付けません。クライアント側では、接続がタイムアウトしたり、接続拒否のエラーが発生したりする可能性があります。

デフォルト値

Node.jsのバージョンによってデフォルト値が異なる場合がありますが、明示的に設定しない場合は、オペレーティングシステムやシステムリソースに依存した値が内部的に使用されることが多いです。一般的には、比較的大きな値がデフォルトとなっています。

• 接続の管理
  server.maxConnections はあくまで同時接続数の上限を設定するものであり、個々の接続のライフサイクルや処理方法を制御するものではありません。
• 他の要因との関係
  同時接続数は、ネットワーク帯域幅、CPU性能、メモリ容量など、他の多くの要因にも影響されます。server.maxConnections だけでサーバーのパフォーマンスが完全に制御できるわけではありません。
• 適切な値の設定
  server.maxConnections の値を小さく設定しすぎると、実際には処理可能なリソースがあるにもかかわらず、多くのクライアントからの接続を拒否してしまう可能性があります。一方、大きすぎる値を設定すると、高負荷時にサーバーが不安定になる可能性があります。アプリケーションの特性やサーバーのリソースに合わせて適切な値を設定する必要があります。

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一般的なエラー

1. • 原因
     server.maxConnections で設定された上限値を超える同時接続要求があった場合、サーバーは新しい接続を拒否します。クライアント側では、接続を確立しようとしても拒否されるため、このエラーが発生します。
   • 症状
     クライアントアプリケーションで接続エラーが発生し、エラーメッセージに "Connection refused" やそれに類似する内容が含まれることがあります。

2. タイムアウト (Timeout)
   

   • 原因
     server.maxConnections に達し、新しい接続がキューイングされるか、完全に拒否される状態が続くと、クライアント側で接続試行がタイムアウトする可能性があります。
   • 症状
     クライアントアプリケーションでリクエストが完了しないままタイムアウトエラーが発生することがあります。

3. サーバーの高負荷 (High Load)
   

   • 原因
     server.maxConnections の設定値が大きすぎる場合、サーバーが同時に多数の接続を処理しようとして、CPU使用率やメモリ使用率が異常に高くなることがあります。
   • 症状
     サーバーの応答が遅くなったり、不安定になったり、最終的にはクラッシュする可能性もあります。

トラブルシューティング

1. server.maxConnections の値の確認
   

   • まず、Node.jsアプリケーションで server.maxConnections がどのように設定されているかを確認します。設定されていない場合はデフォルト値が使用されています。

2. 同時接続数のモニタリング
   

   • サーバーの同時接続数を監視する仕組みを導入します。これには、Node.jsの組み込み機能や、Prometheus、Grafanaなどのモニタリングツールを使用できます。
   • 同時接続数が server.maxConnections の上限に頻繁に達しているかどうかを確認します。

3. ログの確認
   

   • サーバー側のログやアプリケーションのログを確認し、接続拒否やタイムアウトに関連するエラーメッセージがないか調べます。

4. クライアント側の動作確認
   

   • クライアントアプリケーションがどのように接続を試みているか、リトライ処理が適切に行われているかなどを確認します。

5. 負荷テストの実施
   

   • 負荷テストツール（Apache Bench (ab), wrk, k6 など）を使用して、サーバーに意図的に負荷をかけ、server.maxConnections の設定がどのように影響するかを検証します。
   • 負荷テストの結果を分析し、接続拒否やエラーが発生する同時接続数を確認します。

6. server.maxConnections の調整
   

   • モニタリングや負荷テストの結果に基づいて、server.maxConnections の値を調整します。
   • 値を増やす場合は、サーバーのリソース（CPU、メモリなど）が十分に余裕があることを確認してください。
   • 値を減らす場合は、クライアントアプリケーションへの影響を考慮してください。

7. 接続のリークの調査
   

   • 同時接続数が上限に達していなくてもサーバーの負荷が高い場合は、接続が適切に閉じられていない（接続リーク）可能性も考えられます。コードを見直し、ソケットやリクエスト/レスポンスストリームが適切に閉じられているか確認します。

8. 他のリソース制限の確認
   

   • オペレーティングシステムレベルでのファイルディスクリプタの制限なども、同時接続数に影響を与える可能性があります。これらの制限値も確認し、必要に応じて調整します。 (ulimit -n コマンドなどで確認できます)

9. ロードバランサーやリバースプロキシの確認
   

   • Node.jsサーバーの手前にロードバランサーやリバースプロキシが存在する場合、それらの設定も同時接続数に影響を与える可能性があります。これらの設定も確認します。

トラブルシューティングのヒント

• エラーメッセージの活用
  クライアントやサーバーのエラーメッセージは、問題の原因を特定するための重要な情報源となります。
• ボトルネックの特定
  server.maxConnections が問題の原因であるとは限りません。CPU、メモリ、ネットワークなど、他のリソースがボトルネックになっている可能性も考慮します。
• 段階的な調整
  server.maxConnections の値を大きく変更するのではなく、少しずつ調整しながら効果を確認します。

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例1: server.maxConnections の基本的な設定

この例では、HTTPサーバーを作成し、server.maxConnections プロパティを設定して最大同時接続数を制限します。

const http = require('http');

const server = http.createServer((req, res) => {
  res.writeHead(200, { 'Content-Type': 'text/plain' });
  res.end('Hello, world!');
});

// 最大同時接続数を 5 に設定
server.maxConnections = 5;

server.listen(3000, () => {
  console.log('Server listening on port 3000');
});

// サーバーの現在の接続数を取得する例
server.on('connection', (socket) => {
  console.log('新しい接続:', server.connections); // 非推奨 (Node.js 16.x 以降)
  server.getConnections((err, count) => {
    console.log('現在の接続数:', count);
  });
});

説明

• server.connections プロパティは非推奨となり、代わりに server.getConnections() メソッドを使用して現在の接続数を取得することが推奨されています。
• server.on('connection', ...) イベントは、新しいクライアントからの接続が確立されるたびに発生します。
• server.listen(3000, ...) でサーバーをポート3000で起動します。
• server.maxConnections = 5; の行で、サーバーが同時に処理できる最大接続数を5に設定しています。
• http.createServer() で基本的なHTTPサーバーを作成します。

動作確認のヒント

このコードを実行した後、複数のブラウザータブや curl コマンドなどで同時にサーバーにアクセスしてみてください。5つ以上の同時接続を試みると、それ以降の接続はサーバーによって拒否されるか、タイムアウトする可能性があります。

例2: server.maxConnections に達した場合の処理

この例では、server.maxConnections に達した場合に、新しい接続をどのように処理するかを示す簡単な例です。実際には、より洗練された処理が必要になる場合があります。

const http = require('http');

const server = http.createServer((req, res) => {
  res.writeHead(200, { 'Content-Type': 'text/plain' });
  res.end('Hello, world!');
});

const maxConnections = 2;
server.maxConnections = maxConnections;

server.on('connection', (socket) => {
  server.getConnections((err, count) => {
    console.log('現在の接続数:', count);
    if (count > maxConnections) {
      console.log('最大接続数に達しました。新しい接続を閉じます。');
      socket.end('HTTP/1.1 503 Service Unavailable\r\nContent-Type: text/plain\r\nConnection: close\r\n\r\nServer is busy. Please try again later.\r\n');
      socket.destroy(); // ソケットを完全に破棄
    }
  });
});

server.listen(3000, () => {
  console.log('Server listening on port 3000 (max connections: ' + maxConnections + ')');
});

説明

• socket.destroy() を呼び出すことで、ソケットを完全に破棄し、リソースを解放します。
• server.on('connection', ...) イベント内で、現在の接続数を取得し、maxConnections を超えている場合は、HTTP 503 (Service Unavailable) レスポンスをクライアントに送信し、接続を閉じます。
• maxConnections 変数で最大接続数を定義し、server.maxConnections に設定します。

動作確認のヒント

このコードを実行し、3つ以上の同時接続を試みると、3つ目以降の接続に対して "Server is busy. Please try again later." というメッセージが表示され、接続が閉じられることを確認できます。

例3: server.maxConnections の値を取得する

server.maxConnections の現在の値を取得する方法を示す例です。

const http = require('http');

const server = http.createServer((req, res) => {
  res.writeHead(200, { 'Content-Type': 'text/plain' });
  res.end('Hello, world!');
});

// 初期設定 (省略可能)
server.maxConnections = 10;

server.listen(3000, () => {
  console.log('Server listening on port 3000');
  console.log('現在の最大接続数:', server.maxConnections);
});

説明

• server.maxConnections プロパティに直接アクセスすることで、現在の最大接続数の値を取得できます。

• server.connections プロパティは古いAPIであり、Node.jsの将来のバージョンで削除される可能性があるため、server.getConnections() を使用することが推奨されます。
• 実際のアプリケーションでは、server.maxConnections の設定だけでなく、ロードバランサーやリバースプロキシなどのインフラストラクチャも考慮する必要があります。
• 設定された server.maxConnections を超える接続要求があった場合、オペレーティングシステムレベルで接続が拒否されることもあります。
• server.maxConnections は、サーバーがアクティブな接続を追跡し、新しい接続を制限するためのメカニズムです。

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キューイング (待ち行列) の実装

server.maxConnections のように接続を単純に拒否するのではなく、接続要求を一時的にキューイングし、処理能力に余裕ができたときに順次処理する方法です。

const http = require('http');
const queue = [];
const maxProcessing = 2;
let currentProcessing = 0;

const processRequest = (req, res) => {
  currentProcessing++;
  console.log(`処理開始 (現在 ${currentProcessing} 件)`);
  setTimeout(() => {
    res.writeHead(200, { 'Content-Type': 'text/plain' });
    res.end('処理完了');
    currentProcessing--;
    console.log(`処理完了 (現在 ${currentProcessing} 件)`);
    processQueue();
  }, 1000); // 1秒間の処理をシミュレート
};

const requestHandler = (req, res) => {
  if (currentProcessing < maxProcessing) {
    processRequest(req, res);
  } else {
    console.log('キューに追加');
    queue.push({ req, res });
    res.writeHead(503, { 'Content-Type': 'text/plain' });
    res.write('Server is busy. Please try again later.\n');
    res.end(`Current queue length: ${queue.length}`);
  }
};

const processQueue = () => {
  if (currentProcessing < maxProcessing && queue.length > 0) {
    const { req, res } = queue.shift();
    processRequest(req, res);
  }
};

const server = http.createServer(requestHandler);

server.listen(3000, () => {
  console.log(`Server listening on port 3000 (max processing: ${maxProcessing})`);
});

説明

• processQueue 関数は、処理が完了し currentProcessing が減ったときに、キューから次のリクエストを取り出して処理を開始します。
• そうでなければ、リクエストを queue 配列に追加し、HTTP 503 (Service Unavailable) レスポンスを返します。
• 新しいリクエストが来たとき、currentProcessing が maxProcessing より小さければすぐに処理を開始します。
• currentProcessing で現在処理中のリクエスト数を追跡します。
• maxProcessing で同時に処理できるリクエスト数を定義します。

利点

• クライアントに再試行を促すことができます。
• 接続をすぐに拒否するのではなく、一時的に待機させることができます。

欠点

• キューのサイズ制限やタイムアウト処理などを考慮する必要があります。
• キューが長くなりすぎると、クライアントの待ち時間が長くなります。

ミドルウェアによる接続数制御

Express.js などのフレームワークを使用している場合、ミドルウェアを使って接続数を制御することができます。

const express = require('express');
const app = express();
const maxConnections = 2;
let currentConnections = 0;

const connectionControlMiddleware = (req, res, next) => {
  if (currentConnections < maxConnections) {
    currentConnections++;
    res.on('finish', () => {
      currentConnections--;
      console.log(`接続終了 (現在 ${currentConnections} 件)`);
    });
    next();
  } else {
    res.status(503).send('Server is busy. Please try again later.');
  }
};

app.use(connectionControlMiddleware);

app.get('/', (req, res) => {
  console.log(`リクエスト処理開始 (現在 ${currentConnections} 件)`);
  setTimeout(() => {
    res.send('Hello World!');
  }, 1000); // 1秒間の処理をシミュレート
});

app.listen(3000, () => {
  console.log(`Server listening on port 3000 (max connections: ${maxConnections})`);
});

説明

• res.on('finish', ...) を使用して、レスポンスが完了したときに currentConnections をデクリメントします。
• このミドルウェアは、リクエストが処理される前に現在の接続数を確認し、上限を超えていれば HTTP 503 エラーを返します。
• connectionControlMiddleware というカスタムミドルウェアを作成します。

利点

• 特定のエンドポイントに対して異なる制御を適用することも可能です。
• フレームワークの機能を利用して、より構造的に接続数を制御できます。

欠点

• フレームワークに依存します。

ロードバランサーやリバースプロキシの利用

Node.js アプリケーションの手前にロードバランサー（例: Nginx, HAProxy）やリバースプロキシを配置し、それらの機能を使って同時接続数やリクエストレートを制御する方法です。

利点

• より高度なトラフィック制御（例: IP アドレスごとのレート制限）が可能です。
• ロードバランサーは、複数の Node.js インスタンスに負荷を分散する役割も担うため、スケーラビリティが向上します。
• Node.js アプリケーション自体は接続数の制限を意識する必要がありません。

欠点

• ロードバランサーやリバースプロキシの設定や管理の知識が必要です。
• インフラストラクチャの構成が必要になります。

クラスタリングとワーカーごとの制御

Node.js の cluster モジュールを使用して複数のワーカープロセスを起動し、各ワーカープロセス内で server.maxConnections を設定したり、上記のようなキューイングやミドルウェアによる制御を実装したりする方法です。

利点

• 1つのワーカープロセスが過負荷になっても、他のワーカープロセスは影響を受けにくい場合があります。
• 各ワーカープロセスが独立して接続数を管理できるため、全体としての処理能力を向上させることができます。

• ワーカープロセスの適切な数を決定する必要があります。
• プロセス間通信や状態管理が必要になる場合があります。